桥梁病害的检测与病害原因分析

桥梁病害的检测与病害原因分析 毕业设计(论文)原创性声明和使用 授权说明 原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文)，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定，即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用 授权书 网站备案授权书下载肖像授权书文档下载肖像授权书下载歌曲授权书模板下载销售授权书免费下载 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 注 意 事 项 1.设计(论文)的内容包括: 1)封面(按教务处制定的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 封面格式制作) 2)原创性声明 3)中文摘要(300字左右)、关键词 4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入) 6)论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论 7)参考文献 8)致谢 9)附录(对论文支持必要时) 2.论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等)，文科类论文正文字数不少于1.2万字。 3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。 4.文字、图表要求: 1)文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写 2)工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3)毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4)图表应绘制于无格子的页面上 5)软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1)设计(论文) 2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订 指导教师评阅书 指导教师 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 : 一、撰写(设计)过程 1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的合理性 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 二、论文(设计)质量 1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件), ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 三、论文(设计)水平 1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、论文的观念是否有新意,设计是否有创意, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 建议成绩:? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 (在所选等级前的?内画“?”) 指导教师: (签名) 单位: (盖章) 年 月 日 评阅教师评阅书 评阅教师评价: 一、论文(设计)质量 1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件), ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 二、论文(设计)水平 1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、论文的观念是否有新意,设计是否有创意, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 建议成绩:? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 (在所选等级前的?内画“?”) 评阅教师: (签名) 单位: (盖章) 年 月 日 教研室(或答辩小组)及教学系意见 教研室(或答辩小组)评价: 一、答辩过程 1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 二、论文(设计)质量 1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件), ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 三、论文(设计)水平 1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、论文的观念是否有新意,设计是否有创意, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 评定成绩:? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 教研室主任(或答辩小组组长): (签名) 年 月 日 教学系意见: 系主任: (签名) 年 月 日 摘要 桥梁是道路的咽喉,在我国道路事业上发挥着重要作用。 但在已经运营的线路上,有些桥梁却未达到其使用寿命而过早地发生损坏,一些建成工程已暴露出了较严重的耐久性问题,使用寿命远低于设计寿命标准。 如我国第一座城市大型立交桥?北京西直门立交桥,1980年12月建成,由于受到冰盐侵蚀、反复冻融、钢筋锈蚀等作用严重破坏,于1999年3月即拆除重建,寿命不到19年。 位于京广线正线上的某百孔大桥,1976年交付使用,1995年在预应力梁体上发现沿预应力筋的裂缝,此后病害不断发展,到2000年又发现第52孔曲线内梁的腹板箍筋和一束预应力钢丝锈断,经诊断查明其病害根源在于梁体本身的碱硅反应和外界氯盐侵蚀,为彻底消除隐患,最终花了近两个月的时间在2002年底进行换梁大修,耗资数千万元。 桥梁是生命线工程的重要环节,若因耐久性不足及早进行大修或更换,不仅耗资巨大,给政府构成沉重的财政负担,还会由于交通的临时中断而引发更多的社会、经济问题。 所以,研究桥梁混凝土结构的耐久性,以及病害发生的原因和处理、防治措施技术等,都具有重要意义。 随着交通运输事业的发展,交通运输量大幅度增长,行车密度及车辆载重越来越大,尤其是重型车辆增多,再加上许多桥梁超负荷使用,已带来严重的安全隐患。而改造又限于资金的紧缺,只能采取投资 较少,施工期短,又能缓解当前运输紧张状态的维修与加固技术措施。 因此,桥梁病害的检测与病害原因分析就显得尤为重要。 引言 桥梁的病害防治问题非常广泛,本文对桥梁下部机构的病害问题进行了分析。 用科学发展观和可持续发展的观点审视桥梁的安全耐久性问题,实施桥梁结构的全寿命设计,加强健康监测,适时养护维修,以桥梁全寿命期内的综合费用评价桥梁的经济性和社会效益,这一新的理念应在桥梁的设计中得以充分体现。有专家提出,设计者所设计的结构应具有6个特性,即可检、可控、可换、可修、可强及可持续性,以达到在桥梁使用过程中对其构件可检查、可控制、可维修加固。 设计是灵魂,施工是关键。在设计阶段采用高度发展的计算机辅助手段,进行有效的快速优化和仿真分析,运用智能化制造系统在工厂生产部件,利用GPS和遥控技术控制桥梁施工,精心设计、精心施工是建设精品工程的必备条件。 第1章 病害的起因 1.1 一般表现 桥梁混凝土和钢筋混凝土结构的使用寿命一般为50年,但是从现实情况来看,桥梁在建造和使用的过程中,受各种有害化学物质的侵蚀,并承受车辆、风、雨、雪、冻融、地震、疲劳、超载以及人为因素等外部作用,许多桥梁建筑物过早出现各种各样的缺陷和病害,甚至尚未建成时,就出现严重的工程缺陷,或者刚投入使用,就不得不进行维修。 基础的缺陷和病害主要表现为:承载力不足而使基础不均匀沉陷;基础的滑移和倾斜,以及基底局部冲空;基础结构物的异常应力和开裂。 桥墩、桥台缺陷和病害主要表现为:水平、竖向和网状裂缝;混凝土脱落、空洞、材料老化;受外力冲击产生破坏;钢筋外漏和锈蚀;结构变形、位移等。 1.2 起因归类 引起混凝土病害是一个复杂的问题,不考虑洪水、地震、超载及船舶的撞击,主要取决于以下几方面因素: (1)钢筋锈蚀 钢筋的锈蚀过程是一个电化学反应的过程,主要是因为钢筋表面的钝化膜破损而引起钢筋锈蚀。 (2)冻融破坏 由于混凝土结构内部各种毛细孔的存在,水存在于这些毛细孔中, 当温度下降至冰点,结构孔隙中的水份逐渐变成冰时,体积逐渐膨胀,这种膨胀会产生一种局部张力,使其周围的水泥基质断裂,造成结构破损而引起钢筋锈蚀。 (3)碱骨料反应 碱骨料反应可以导致混凝土结构膨胀并产生严重开裂,主要是由于混凝土中的某些骨料,如某些硅质类骨料,它们与水泥中的、、等成分发生反应,在骨料表面生成一种凝胶体遇水后发生膨胀,产生张力而导致周围混凝土发生开裂,一旦发生开裂,就会有更多的水渗透进入混凝土结构内部加速碱骨料反应的发生和发展,同时还会导致冻融破坏进入恶性循环。 (4)混凝土碳化 空气中的二氧化碳气体,逐渐中和混凝土的水泥水化物,把结硬的水泥浆中的氢氧化碳转化为碳酸钙,使混凝土失去碱性而变成中性化。这种现象称为“碳化”。当碳化深度达到超过钢筋保护层时,使表层混凝土丧失碱性环境,其ph值低于10,保护作用就消失了。 (5)氯离子侵蚀 氯离子对钢筋钝化膜的破坏作用最强,氯盐通过混凝土中的毛细孔或微裂缝渗入到钢筋的表面,直接攻击钝化膜。 当钢筋表面的氯离子量超过临界值,钢筋保护膜遭到破坏,如果能供给氧气和水,就会造成钢筋局部发生腐蚀,较典型的是含盐环境。如化冰盐、海洋环境、含盐地下水等,并且其渗透深度很可能超过钢筋的深度。 因此氯盐是威胁桥梁耐久性最危险的化学物质,且对钝化膜产生局部性的破坏,使钢筋表面产生点状坑蚀。 (6)设计荷载标准偏低 桥梁的承载能力是根据设计时所采用的荷载等级来确定的,早期建造的桥梁,特别是二十世纪六、七十年代建造的桥梁,设计荷载大多偏低。随着交通量的增加和荷载等级的提高,原有桥梁已经无法满足现今交通的需要,有些桥梁已经出现严重病害。 (7)通行能力不足 这主要表现在桥面宽度不足;桥梁平面线形、纵断面线形标准太低;桥上通车净空或桥下通车净空不足。 (8)人为及自然因素引起结构的损坏 比如超出设计最高水位的洪水、泥石流、浮冰、冰冻、地震、强风、船舶撞击等作用,河道不恰当开挖,桥梁基础下存在岩溶、矿山坑道等,引起桥梁结构的局部损坏。 (9)自然老化 早期公路桥梁的设计龄期为50年,随着时间的推移,已建桥梁会不断损坏和老化,其承载力、刚度、延性和稳定性不断下降,这是一个不可改变的客观。 (10)超期服役 这部分桥梁并不是太多,但主要是建造时期较早,比如五、六十年代建造的桥梁,设计使用寿命只有30年到50年,这些桥梁目前仍有部分在使用当中。 (11)超负荷使用 随着我国改革开放的深入,运输业竞争在不断加剧。按路线等级或者预期设计荷载等级来说,这一部分设计荷载等级并不低,但由于一些特殊的原因,桥梁使用荷载大大超出设计荷载,致使桥梁长期处于超重荷载作用下运营,加速了桥梁的损坏。 (12)设计施工的先天不足 有些桥梁设计上不是很合理,结构构造处理不合理,桥梁在早期运营时其缺陷并不明显,运营一定时间后,病害逐渐显现出来。有些桥梁由于受施工质量、施工技术、施工手段等的限制和影响,存在一定的技术缺陷,随着运营时间的增加,其病害也逐渐显露。 (13)养护维修及加固措施不当 有些桥梁的技术缺陷则是由于养护维修不恰当引起的。比如桥面维修增加过大的恒载,致使桥梁本身自重过大,承载力相对提高较小或未提高;桥面排水处理不当,桥面渗水;又如支座维修不当,改变了整个结构的受力状态等。 有些桥梁则是加固不当引起的。比如加固施加的预应力大小或者位置不恰当,引起结构的二次病害;又如结构体系改变不合理,致使结构的关键部位应力超限等。 综上所述,我们可以看到: 造成混凝土桥梁的损坏是个错综复杂的问题,但是基本上有害物质是以气体或水为载体,以混凝土的裂缝、毛细孔为通道在结构中扩散,和混凝土中的一些物质发生反应,使结构发生破坏。病害混凝土桥 梁的处理措施包括提高混凝土密实度和防水抗渗性以及钢筋的耐蚀性,对防止病害的发生、提高桥梁的使用寿命有着重要的意义。 1.3 深入考究裂缝与腐蚀问题 由于混凝土的裂缝与钢筋的腐蚀是整个病害中重要的两个角色,故需要进行更深入的探索。 (1)混凝土的裂缝 实践表明,混凝土结构的任何损伤与破坏,一般都是首先在混凝土中出现裂缝,裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。 混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引起裂缝的原因很多,但可归纳为两大类: 第一类:由外荷载引起的裂缝,称为结构性裂缝又称为受力裂缝,其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现,预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。 第二类:由变形引起的裂缝,称为非结构性裂缝,如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时,在结构内部就会产生自应力,当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时,即会引起混凝土裂缝,裂缝一旦出现,变形得到释放,自应力也就消失了。 两类裂缝有明显的区别,危害效果也不相同,有时两类裂缝融在一起。调查资料表明,在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%;以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定,裂缝修补和加固的依据,若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理,不仅达不到预期的效果,还可能潜藏着突发性事故的危险。 (2)结构性裂缝受力裂缝 事实上,在正常使用阶段钢筋的应力远大于标准值,所以说在正常使用阶段钢筋混凝土结构出现裂缝是必不可免的。因而,习惯上又将这种裂缝称为正常裂缝。 实践证明,在正常条件下,裂缝宽度小于0.3mm时,钢筋不致生锈。为确保安全,允许裂缝宽度还应小一些。新修订的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTGD62-2003以下简称桥规JTGD62规定:钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限值: ?类及?类环境0.2mm ?类及?类环境0.15mm 结构性裂缝可根据构件的受力特征判断。 跨中截面附近下缘受拉区的竖向裂缝,是最常见的结构性裂缝。在正常设计和使用情况下,裂缝宽度不大,间距较密,分布均匀。 若竖直裂缝宽度过大,超过规范规定的限值,预示结构正截面承载力不足;支点或腹板宽度变化处附近截面由主拉应力引起的斜裂缝。在正常设计和使用情况下很少出现斜裂缝,即使出现裂缝宽度也很小。 若斜裂缝宽度过大,预示结构的斜截面承载力不足,存在发生斜截面脆性破坏的潜在危险,应引起足够的重视。 有些结构性裂缝受力裂缝是由设计错误和施工方法不当所造成的。例如:钢筋锚固长度不足、计算图式与实际受力不符、构件刚度 不足、次内力考虑不全面和施工安装构件支承吊点错误等都可以使构件产生裂缝。 美国纽约一座高架桥桥梁通车后发现桥墩盖梁悬臂出现严重裂缝,裂缝从上层受拉钢筋端头处开始,向下沿伸至悬臂根部。 显然,这种裂缝是由于钢筋锚固长度不够所引起的结构性裂缝,这种结构性裂缝对结构安全构成潜在危险,应及时加以处理。该桥采用了预加应力的方法进行了补强处理。 在超静结构中基础不均匀沉降,将引起结构的内力变化,可能导致结构出现裂缝。基础不均沉降引起的上部结构的裂缝,实质上是属于结构性裂缝受力裂缝范畴,裂缝的分布和宽度与结构形式、基础不均沉降情况及大小等多种因素有关。这种裂缝对结构安全性影响很大,应在基础不均匀沉降停止或采用加固地基方法消除后,才能进行上部结构的裂缝处理。 我国南方某城市立交匝道桥,其中第三联10~18号墩为8×25m钢筋混凝土连续箱梁结构,软土地基,钻孔桩基础,采用满堂支架就地浇筑混凝土施工。 该桥施工中出现严重裂缝,第三联18~16号墩+1/416~15号墩跨拆模后,发现边跨17~18号墩出现25条竖直裂缝,最大裂缝宽度为0.15mm,三个月后发现其余各跨都出现了裂缝,跨中部分的裂缝已由腹板向底板沿伸200mm,个别裂缝已贯穿底板,在墩顶负弯矩区段也出现了由腹板向翼缘端部延伸的横向裂缝。 在该桥的事故分析中,通过对施工、检测、监理原始资料的分析, 排除了由施工方法不当和材料强度不足造成如此严重裂缝的可能。通过对设计资料审核发现,原设计在计算基础不均匀沉降时,只考虑第三联中间支点14号墩下沉20mm一种工况。显然这样处理是不全面的。若按9个支座分别下沉20mm共9种工况计算结果,进行最不利内力组合,17号墩顶截面负弯矩最大。按此内力计算,该截面原设计配筋严重不足,比计算需要值少32.2%,正截面抗弯承载力不足,致使箱梁顶板出现严重的横向贯通裂缝。横向裂缝进一步向腹板发展,使墩顶截面的连续嵌固作用降低,全桥处于类似于简支梁的工作状态,使各跨中正弯矩增加,因正截面抗弯承载力不足出现竖直裂缝。 (3)非结构性裂缝 混凝土的非结构性裂缝根据其形成的时间可分为:混凝土硬化前裂缝、硬化过程裂缝和完全硬化后裂缝。非结构性裂缝的产生受混凝土材料组成、浇筑方法,养护条件和使用环境等等多因素影响。 1)收缩裂缝 混凝土凝固过程,混凝土中多余水分蒸发,体积缩小称为干缩。同时,水泥和水起水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密,体积缩小,称为凝缩。收缩中以干缩为主,占总收缩量的8/10~9/10。收缩量随时间增长而不断加大,初期收缩较快,尔后日趋缓慢。普通混凝土在标准状态下的极限收缩变形约为3.24×10-4。 当混凝土成形后,表面水份蒸发,这种水份蒸发总是由表及里逐步发展,截面上温度形成梯度,内外干缩量不一样,因而混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约束限制时,即在混凝土中产生拉 应力,引起混凝土开裂。尤其是混凝土早期养护不当,混凝土表面直接受到风吹日晒的影响,表面水份蒸发过快,产生较大的拉应力,混凝土早期强底低,很容易出现收缩裂缝。 收缩裂缝发生在混凝土面层,裂缝浅而细,宽度多在0.05~0.2mm之间。对板类构件多沿短边方向,均匀分布于相邻两根钢筋之间,方向与钢筋平行。对高度较大的钢筋混凝土梁,由于腰部水平钢筋间距过大,在腰部或腹板产生竖向收缩裂缝,但多集中在构件中部,中间宽两头细,至梁的上、下缘附近逐渐消失,梁底一般没有裂缝。大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多,侧面也有所见。收缩裂缝对构件承载力影响不大,主要影响影响结构外观和耐久性。 2)温度裂缝 钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形,这种温度变形受到约束时,在混凝土内部就会产生拉应力,当此应力达到混凝土的抗拉强度极限值时,即会引起混凝土裂缝。这种裂缝称为温度裂缝。按结构的温度场不同、温度变形、温度应力不同,温度裂缝可分为三种类型: ?截面均匀温差裂缝 一般桥梁结构为杆件体系长细结构,当温度变化时,构件截面受到均匀温差的作用,可忽略横截面两个方向的变形,只考虑沿梁长度方向的温度变形,当这种变形受到约束时,在混凝土内部就会产生拉应力,出现裂缝。例如:连续梁预留伸缩缝的伸缩量过小,或有施工散落的混凝土碎块等杂物嵌入伸缩缝,或堆集于支座处没有及时清理, 使伸缩缝和支座失灵等,当温度急剧变化时,结构伸长受到约束,上部桥跨结构就会出现这种截面均匀温差裂缝,严重者还可能造成墩台的破坏。 ?截面上、下温差裂缝 以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例,当外界温度骤然变化时,会造成箱内外的温度差,考虑到桥梁为长细结构,可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的,沿水平横向没有温差。可将三维热传等问题简化为沿梁的竖向温度梯度来确定,一般假设梁的截面高度方向、温差呈线性变化。 在这种温差作用下,梁不但有轴向变形,还伴随产生弯曲变形。梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构的位移,而且因多余约束存在,还要产生结构内部温度应力。当上、下温差变形产生的应力达到混凝土抗拉强度极限值时,混凝土就要出现裂缝,这种裂缝称为截面上、下温差裂缝。 ?截面内外温差裂缝 水泥在水化过程产生一定的水化热,其大部分热量是在水泥浇筑后3天以内放出的。大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发,内部温度不断上升,而混凝土表层散热较快,使截面内部产生非线性温度差。另外,预制构件采用蒸气养护时,由于混凝土升温或降温过快,致使混凝土表面剧烈升温或降温,也会使截面内部产生非线性温度差。在这种截面温差作用下,结构将产生弯曲变形,且符合平截面假设,截面纵向纤维因温差的伸长将受到约束,产生温度自应力。对超静定 结构还会产生阻止挠曲变形的约束应力。有时此温度应力是相当大的,尤其是混凝土早期强度比较较低,很容易造成混凝土裂缝。 混凝土温度裂缝有以下特点: 1、裂缝发生在板上时,多为贯穿裂缝;发生在梁上多为表面裂缝。 2、梁板式结构或长度较大的结构,裂缝多是平行于短边。 3、大面积结构例如桥面铺装裂缝多是纵横交错。 4、裂缝宽度大小不一,一般在0.5mm以下,且沿结构全长没有多大变化。 预防温度裂缝的主要措施是合理设置温度伸缩缝,在混凝土组成材料中掺入适量的磨细粉煤灰,减少水化热,加强混凝土养护,严格控制升温和降温速度。 3)钢筋锈账裂缝顺筋裂缝 钢筋混凝土结构的裂缝与钢筋的腐蚀相互作用。裂缝会增加混凝土的渗透性,使钢筋的腐蚀加重,另一方面钢筋腐蚀后,腐蚀产物体积膨胀,使混凝土保护层沿纵筋方向出现裂缝,严重者混凝土保护层会完全脱落。 对预应力混凝土构件而言,由于预压应力过大或管道灌浆受冻、膨胀等原因也可能出现顺筋裂缝。这种裂缝是不可恢复的,会加剧预应力筋的腐蚀又称应力腐蚀,预应力筋腐蚀又会进一步加剧顺筋裂缝的扩展。如此恶性循环,带有极大的危险性,应引起足够的重视,及时处理。 1.3.2 钢筋的腐蚀 众所周知,在钢筋混凝土结构中钢筋承担拉力,混凝土承担压力,两者组成一个整体共同工作,混凝土保护钢筋免于锈蚀,保证了结构的耐久性。混凝土和钢筋的强度是确定钢筋混凝土结构构件抗力的基本参数,它随时间的变化规律是建立在股结构抗力变化模型的基础。 一般来说,混凝土强度在初期随时间增大,但增长速度逐渐减慢。一般大气条件下混凝土的损伤主要是碳化腐蚀和冻融循环破环。试验研究表明,碳化对混凝土强度没有破坏作用,碳化后混凝土的强度随龄期增长反而提高;冻融循环使混凝土的强度有所降低,其降低的幅度主要与混凝土的材料组成有关,随时间的增长变化不大。 混凝土碳化腐蚀会降低混凝土的碱性,随着时间的推移,碳化的发展会使混凝土失去对钢筋保护作用,引起钢筋的腐蚀。钢筋的腐蚀是影响混凝土耐久性和使用寿命的重要因素。因此研究混凝土碳化和钢筋腐蚀随时间随时的变化规律,建立在役结构抗力变化模型,是进行混凝土结构耐久性评估和剩余寿命预测的核心内容。 (1)混凝土的碳化 混凝土的碳化是指混凝土中的氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳和其他酸性气体等发生化学反应的过程。碳化的实质是混凝土的中性化。 通常情况下,早期混凝土具有很高的碱性,其PH值一般大于12.5,在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用,使得钢筋表面产生一层钝化膜,能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。当有二氧化碳和水 汽从表面通过孔隙进入混凝土内部时,和混凝土材料中的碱性物质中和,会导致混凝土的PH值降低。当混凝土完全碳化后,就出现PH值小于9的情况,在这种环境下,混凝土中埋置的钢筋表面钝化膜被逐渐破坏,在有水份和其他有害界质侵入的情况下,钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂,钢筋屈服强度降低,结构耐久性降低第一系列不良后果。 研究表明,混凝土的碳化速度取决于气体的扩散速度及与混凝土成份的反应性速度,气体的扩散速度受混凝土本身的组织密实性,气体的浓度,环境温度,试件含水量等多种因素影响。所以,混凝土的碳化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素主要有水泥用量和水灰比和与环境有关的外界因素。对于在股结构物来说,由于其内部因素已经确定,因此影响混凝土碳化速度的主要因素是外部因素,如的浓度越高,且压力越大,碳化深度越大。因此,在城市交通繁忙路段处的结构物往往碳化现象较严重。另外,碳化较易发生在潮湿环境中,尤其是干湿交替的环境,因此,南方的结构物容易产生碳化现象,且随着温 (2)钢筋的腐蚀 大量的工程实践表明,钢筋的腐蚀是影响在役钢筋混凝土结构耐久性的主要因素。处于干燥环境下,混凝土碳化速度缓慢,具有良好保护层的钢筋混凝土结构一般不会发生钢筋腐蚀;而处于潮湿的或有侵蚀介质例如氯离子的环境中,混凝土将加速碳化,钢筋钝化膜逐渐破 坏,常因钢筋腐蚀引起结构的严重破坏。钢筋腐蚀伴随有体积膨胀,使混凝土沿钢筋出现爆裂,造成钢筋与混凝土之间粘着力的破坏,钢筋截面面积减少,构件承载力降低,变形和裂缝增大等一系列不良后果,并随着时间的推移,腐蚀会逐渐恶化,最终可能导致结构的完全破坏。 1)钢筋腐蚀的机理 混凝土中的钢筋腐蚀一般为电化学腐蚀。二氧化碳、氯离子等腐蚀介质侵入时,混凝土的碱性降低或混凝土保护层开裂等都会造成全部或部分地破坏钢筋表面的钝化状态,由于钢材材质和表面的非均匀性,在钢筋表面的不同部位总会出现较大的电位差,形成阳极和阴极。因此,在潮湿环境下由于氧气和水的参与,钢筋就可以发生电化学反应:在氧气和水汽的共同作用下,由于电化学反应,使钢筋表面的铁不断失去电子而溶于水,从而逐渐被腐蚀,在钢筋表面生成铁锈,铁锈体积膨胀,引起混凝土开裂。 影响电化学腐蚀的因素有环境的湿度、温度、氧气浓度等,湿度越大、温度越高、氧气浓度越大,腐蚀越严重。氯离子虽然不能构成腐蚀产物,但其中间产物对钢筋腐蚀电化学反应起催化作用,将加速钢筋的腐蚀,对结构的危害较大。 钢筋由于电化学腐蚀等原因,使表面形成大小不一、分散分布的腐蚀坑,腐蚀坑的存在加大了钢筋的电位差,使腐蚀加速;另一方面腐蚀坑相当于一个缺口,在钢筋受拉时,将引起应力不均匀分布,造成应力集中,可能导致钢筋的早期断裂,这种现象称为钢筋的应力腐蚀。应 力腐蚀是化学腐蚀和应力复合作用的结果。应力腐蚀的主要与腐蚀介质,钢筋的应力水平和钢筋的材质情况的有关,钢筋的强度和应力值对应力腐蚀有重要影响。钢筋的强度越高,其变形性能越差,越容易发生应力腐蚀;钢筋应力越高,应力腐蚀的敏感性越大。因此,应力腐蚀对高强预应力筋的危害是很大的。 2)钢筋腐蚀对结构受力性能的影响 混凝土中的钢筋腐蚀后,腐蚀产物体积膨胀使混凝土保护层沿纵筋出现裂缝,使钢筋与混凝土的粘结力下降,钢筋截面积减少,屈服强度降低,随着时间的推移结构受力性能将进一步恶化,严重影响结构的耐久性。 ?钢筋腐蚀对钢筋与混凝土粘结强度的影响 钢筋腐蚀对粘结强度的影响与腐蚀量有关:当钢筋表面只有轻微的腐蚀时腐蚀率小于1%,钢筋与混凝土之间的粘结强度有所提高;但随蚀量的增加,粘结强度则会显著下降。当因钢筋腐蚀产生顺筋裂缝,且裂缝宽度超过1.5~2mm时,钢筋与混凝土之间的粘结力基本丧失,其平均粘结强度仅为无纵向裂缝的3.5%~5.5%。 ?钢筋腐蚀对构件承载力的影响 钢筋腐蚀对钢筋混凝土构件承载力的影响主要取决于钢筋腐蚀引起的钢筋截面面积减少、材料力学性能的变化和钢筋与混凝土之间的粘结力。 3)腐蚀钢筋的截面损失率 钢筋的腐蚀率以截面损失率表示。对在股结构的钢筋腐蚀截面积 损失率可采用取样检查法或裂缝观察法确定。 取样检查法就是去掉混凝土保护层直接检查腐蚀情况,如剩余直径,腐蚀坑的长度、深度等。检查即可在钢筋上直接进行,也可以取钢筋试样在实验室进行分析。 裂缝观察法是根据混凝土上裂缝的形状、分布及裂缝宽度来判断钢筋的腐蚀程度。钢筋腐蚀后会产生体积膨胀,造成混凝土出现顺筋裂缝,因此,通过观察混凝土构件上有无顺筋裂缝和裂缝开展宽度可判钢筋腐蚀程度。 4)腐蚀钢筋的力学性能 钢筋腐蚀后其力学性能如:抗拉强度、伸缩率等也随之发生变化,变化情况取决于钢筋的品种和环境介质条件。 对普通的热扎钢筋,在一般大气环境下腐蚀对其力学性能影响不大。但是,若混凝土中渗入了氯化物而使钢筋腐蚀,则使钢筋的延性大为降低。在高强度钢筋中,应力随着塑性的降低而逐渐松弛。 中国建筑科学研究院的实验表明,当钢筋表面沿长度发生均匀腐蚀时,随着腐蚀率的增加,钢筋的极限强度与极限延伸率都随之降低。 冶金部建筑科学研究院的研究表明,钢筋腐蚀后延性的降低程度比截面损失率大。钢筋腐蚀对其力学性能的影响取决于腐蚀程度。当钢筋表面仅有浮锈且截面损失率小于10%时,钢筋的应力??应变关系和钢筋极限强度、屈服强度与未锈蚀者基本相同;当钢筋腐蚀的截面损失率小于5%时,钢筋的应力??应变关系仍具有明显的屈服点,也具有足够的延性,钢筋的极限强度和屈服强度也未有显著的改变;当钢 筋腐蚀的截面损失率大于10%时,钢筋的力学性能有显著的改变。 表2-4 钢筋腐蚀分类 腐蚀程度 a b c d 截面损失率% 0~1 1~3 3~10 10 纵向裂缝增多, 保护层部分剥裂缝情况 无纵向裂缝 无纵向裂缝 有少量 落,严重时保护 层脱落 铁锈沿混凝土裂 腐蚀仅发生在钢腐蚀仅发生在钢向混凝土扩散腐缝扩散,使顺筋腐蚀扩散 筋表面 筋表面 蚀物 裂缝贯通,保护 层脱落。 屈服强度 基本不变 基本不变 基本不变 降低 降低,具有可能极限强度 基本不变 基本不变 降低 产生应力腐蚀 降低,可能发生延伸率 基本不变 基本不变 降低 脆断 粘结力 基本不变 基本不变 降低不明显 显著降低 5)钢筋腐蚀对构件承载力的影响 钢筋混凝土结构的抗弯承载力,随钢筋腐蚀率的增加而呈线性下降规律。 ?当钢筋的截面损失率小于5%时,钢筋的抗拉强度与延伸率基本上无变化,钢筋与混凝土之间的粘结力也基本不变,平截面假设仍然成立,可以按照无腐蚀的普通钢筋混凝土构件的计算方法分析构件的抗弯承载能力,但分析中应考虑钢筋截面损失率。 ?对于中度腐蚀的钢筋,由于钢筋截面面积少、钢筋抗拉强度和延伸率降低,使钢筋混凝土构件的承载力明显下降。但是在这阶段,钢筋腐蚀坑深度不大,尚未形成应力集中区。一般情况下,钢筋不会发生脆断或延性明显降低现象,构件从加荷至最后破坏的全过程仍呈现出良好的变形性能。构件的承载力仍可按未腐蚀的普通钢筋混凝土构件的计算方法计算,但应同时考虑钢筋截面损失和屈服强度降低的双重影响。 ?当钢筋发生严重腐蚀时,随着钢筋与混凝土粘结强度的显著降低,钢筋与混凝土之间的共同工作能力减弱,梁的受力接近于无粘结预应力拉杆或附加有普通钢筋的无粘结预应力混凝土梁。此时构件的抗弯承载力、刚度都有明显降低。对于这种情况,若用规范给出了用于普通钢筋混凝土承载力计算公式、分析构件的承载力时,除应考虑钢筋截面损失率和屈服强度降低的影响外,尚应考虑钢筋与混凝土共同工作折减,将其承载力乘以0.8~0.9的系数。 第2章 病害的防治 2.1 概述 在春季枯水季节和夏季洪水过后,利用桥梁定期检查的同时,及时发现并处治病害,按常规施工方法进行处理,对于部分桩基维修、加固,要充分考虑冲刷而不致产生负面效应;对于墩、台身产生的部分竖向裂缝,除用环氧砂浆予以封堵外,还应用钢绞线结合钢板缠绕设箍并施加一定的预应力进行处理。 桥梁裂缝处理与加固应结合进行。加固的目的一方面是为了恢复或提高梁体的承载能力纵向加固,提高桥梁的横向刚度横向加固,另外是为了减小裂缝的产生和进一步的发展。 常用的桥梁纵向加固方法:下部结构加固时可采用扩大基础加固法、增补桩基加固法、混凝土套箍法、墩台拓宽法和桥台新建挡土墙加固法;桥梁横向加固方法有:增设预应力横隔板、提高桥梁的横向刚度。 桥梁裂缝常用的处理方法主要有裂纹注浆、表面涂装、保护层修补、充填法等,并主要采用自行研制的各种修补材料。在借鉴国外先进技术的基础上,对存在裂纹、出现碱骨料反应、碳化深度过大及受盐害腐蚀的大量混凝土桥梁进行维修。从修补效果来看,结构物的劣化速度得到了相对控制,基本起到了提高结构耐久性的目的。 新材料新工艺的采用:在改善混凝土的使用性能和耐久性方面,有各种混凝土裂缝修补技术,以聚丙烯纤维为代表的高性能纤维混凝土的应用,碱骨料反应抑制剂以及渗透型钢筋阻锈剂的推广使用等。 自从20世纪90年代后期以来,我国引进国外修补裂缝的先进材料和技术,就是碳纤维加固。这种材料与方法的突出优点是:对桥的自重影响不大,达到加固的补强效果,使用寿命长;国内已有多家生产厂家,但其造价较高。 桥梁裂缝病害的处理效果主要取决于修补材料的质量与相应的施工工艺水平,早期桥梁裂缝修补,对不同部位,采用不同的材料和施工方法,桥柱和桥的纵、横梁的裂缝修补材料,普通采用钢板加固方法;而桥面则采用沥青浇灌方法。 前者使用的材料与方法的缺点是:增加桥梁的荷载,施工难度大,优点是牢固可靠;后者的材料和方法的缺点是:沥青容易老化,修补不久又产生裂缝,只堵漏,不补强;优点是施工方便快捷。 混凝土裂缝引起水分渗入是导致钢筋锈蚀的通道。钢筋锈蚀损坏的修复传统采取“打补丁”的办法,即局部凿除松动的混凝土,露出锈蚀钢筋,除锈后抹上水泥砂浆。实践中多次发现效果不佳,同时还给补丁四周的钢筋带来更严重的锈蚀问题。 近年来,国外开发了一种新的修复技术:在结构表面涂上一层迁移型有机阻锈剂,它可以通过混凝土迁移到钢筋表面,使钢筋再钝化。 下面就各种防治情况,作简略的讨论。 2.2 桥梁基础的防治 对于在卵石沉积层较厚的河床上修建的桥梁基础,受洪水冲刷往往会造成局部悬空,一般可采用基底压注水泥浆的办法进行处理。 由于砂质河床松散、流动性大,一旦冲空就急剧扩大,引起大而积 坍塌,倾刻即可毁掉整个桥梁基础,对于这类桥可采取在上游设截水墙,下游设梯级跌水墙,桥孔中问满铺浆砌片石的方案进行加固。 方案是采用水泥压浆泫稳定基础。根据渗水性灌浆理论,浆液的扩散距离与压力成正比。 为了创造一个边界,以使用浆量达到所需压力,先在基础周边立模浇筑硅,然后用级配卵石回填至基础墩台顶,在回填的同时埋入l0根管壁上钻有多个细孔的压浆管。待周围浇灌的硅强度达到20MPa时进行压浆。 压浆材料用425撑普通硅酸盐水泥、粉煤灰、铝粉膨胀剂和水玻璃配制为了防止浆液随地下水经卵石空隙流走,采取两次压浆法,即先按0.5~1MPa压力对外圈孔注浆,待初凝充填周围卵石空隙后,再进行第一次压浆,使灌浆压力到1.5~2MPa为止。 对于桥位斜交角度过大又处于次稳定性河段上的桥梁可通过采取调治、疏通上游河道的办法改变水流方向,解决绕流冲刷基础问题。 当桥基础被洪水冲刷淘空后,应采取永久加固措施,确保桥基永久安全。要根据河床地质、病害程度采取不同的措施。 2.3 二次灌注桩病害的处理 由于操作失误和经验不足,黑河子中桥灌注桩共发生2次病害,如下: 11~3台桩在灌注3.3m砼后,由于砼过干,提升导管剧烈,造成导管下口变形,灌注砼不能继续,3小时后宣布为断桩。当时进行了3种方案的比较: ?用大于1.2m冲击钻硬冲,但中层易液化、塌孔,不宜采用。 ?在孔内填入毛石,用1.2m冲击钻冲孔,将钢筋笼及桩底砼砸入桩四壁及桩底。 ?用挖掘机挖出桩底砼,但必须做好强排水措施,后下φ1.2m水泥砼管,竖直叠起,砼管四周分层填筑砂砾粘土并夯实,在砼管中下钢筋笼,灌注砼。最后考虑1~3台桩比较浅14m,而且中层细砂亚粘土互层,极易液化出现涌砂,塌孔现象,不宜采用前二种方案,决定采用第三种方案处理,后圆满解决。 23~2桩在成桩检测时发现在?9.5m处有桩身夹泥病害,传统的方法是将缺陷桩凿除再重新浇注,既费时又费力,而且造价昂贵。最后决定采用高压喷射注浆法,施工过程如下: ?在桩顶布设3个钻芯孔,钻孔取芯至缺陷部分以下50cm,仔细分析缺陷处芯样,查明了缺陷位置和范围。 ?将注浆管通过钻孔设置到夹泥区,用泵压大于20Mpa的高压水流对缺陷段自下而上进行切割喷射,喷射时喷管提升速度为10cm/min,旋进速度为20转/min,喷射处理长度上下各延长50cm,一孔进行切割而另一孔有水溢出时可认定病害区已打通,可换另外二孔,直至3个孔全部打通。钻孔之间连通后,压入清水利用水循环将废渣排出桩身,当出水口的水由浊变清时,再换其它孔轮流处理,直至所有的孔水流都为清水时,清渣工作结束。 2.4 不稳定边坡工点的主要防治措施 针对各个工点的特点和地质特征,采取了以下工程措施: 1)对规模大、地质条件差的工点采用预应力锚索加固。 2)对岩质边坡,节理裂隙发育、有顺层滑动或倾倒破坏的工点采用预应力锚索或锚杆加固。 3)对边坡不高的全、强风化花岗岩或全强风化板岩夹变质砂岩工点,采用放缓边坡,边坡植草防护,坡脚设挡土墙固脚措施。 4)对边坡较高的全、强风化花岗岩或全、强风化板岩夹变质砂岩工点,如无放坡条件或放坡后减少桥柱埋深深度影响墩安全,则采用锚索或锚杆进行边坡加固。 5)对弃碴边坡,原则上采用清碴方案。如不能清碴,则设坡脚挡土墙,边坡进行砌石防护处理。 6)对一些由于开挖施工便道或修筑施工场地,而切脚开挖形成的边坡,当切脚高度不大时,可采用回填土来稳定边坡的方案。 参考文献 【1】 马世财公路桥梁病害的相关问题浅析J2009(9) 【2】 张万山有色金属材料第二版大连金属工业出版(1998) 【3】 张万山刘六等第五届科学管理国际会议论文集北京管理工程出 版社(2001) 【4】 张万山刘六校园环境与学风建设城市日报2002年3月5日第2 版